中国空间站将来建成后在轨运行效果图。
天和机械臂辅助航天员出舱活动示意图。
天和机械臂捕获悬停的航天器并协助其与空间站对接示意图。 本文配图均由航天科技集团提供
中国航天员近日成功进行了首次空间站出舱活动，这一过程通过电视直播镜头，真切呈现在亿万观众的眼前，让人们不仅体验到九天之上回望蓝色地球家园、凝视苍茫太空的别样感动，而且领略到航天科技赋予人类探索太空的伟大力量，见识到中国空间站作为现代科技集大成者拥有的梦幻装备，特别是天和核心舱机械臂。
通过画面人们看到，空间站天和核心舱机械臂稳稳地托举着航天员移动至目标位置，那种灵活、轻盈的姿态让人不禁联想到古老传说中徜徉宇宙间的飞天。通过媒体平台播出的有关部门制作的科普视频资料，人们可以全方位了解核心舱机械臂的超强性能，感受到正在建设中的中国空间站十足的智能范儿。
巧妙设计七自由度
承载能力达廿五吨
天和核心舱机械臂简称天和机械臂，由于其初始安装位置是在天和核心舱小柱段而得此名。据航天科技集团五院（中国空间技术研究院）空间站核心舱机械臂分系统主管设计师王储介绍，该机械臂是一款模仿人类手臂的七自由度机械臂。对“七自由度”，他解释说，天和机械臂的肩部设置了3个关节，肘部设置了1个关节，腕部设置了3个关节，一共7个关节，每个关节对应1个自由度，就如同人类的手臂一般，具有7自由度的活动能力。通过各个关节的旋转能够实现前后左右，任意角度与位置的抓取和操作。
通过画面，人们可以清楚地看到天和机械臂分为两段。王储从专业角度进行了介绍，他说，从结构上来看，天和机械臂由两根臂杆组成，对应着人体的大臂与小臂，两根臂杆的展开长度为10.2米，可联合动作，单根臂杆也可独立工作。天和机械臂配套了两个末端执行器、一套视觉相机系统、一套总控制器。天和机械臂总重量不到800公斤，但其末端在轨最大承载能力可达25吨。
这样的作业能力意味着什么呢？对此，王储解释说，如果把天和机械臂的承载能力换算成人的手臂，就相当于一个成年人可以凭借一只胳膊抬起100公斤的重物。
可进行大范围转移
助力开展出舱活动
在中国空间站首次出舱活动中，天和机械臂托举航天员刘伯明到指定位置圆满完成相关操作任务。据此，人们对其辅助航天员出舱活动的应用有了一定程度认识，了解到天和机械臂是助力航天员实现安全、高效出舱活动的重要设施。
航天员出舱活动一般是指航天员离开载人航天器乘员舱，只身进入太空的活动，也被称作太空行走，是载人航天的一项关键技术，是载人航天工程在轨道上安装大型设备、进行科学实验、施放卫星、检查和维修航天器的重要手段。中国首次实施航天员出舱活动是在2008年9月27日，神舟七号载人飞船乘组指令长翟志刚与协助员刘伯明共同实施了太空行走并释放了伴飞卫星。
值得注意的是，天宫空间站组合体与神舟七号飞船相比，不仅规模要大得多，而且开展出舱活动的作业量、作业频次、作业难度也大大增加。这就要求在保障作业安全的同时，提高出舱作业效率和作业能力，天和机械臂优异的性能正好在此方面助一臂之力。据王储介绍，天和机械臂末端可以对接脚限位器，航天员出舱后站在脚限位器上，机械臂就可以安全、平稳地将其送到目标位置，可以实现航天员的大范围转移，进而为航天员执行舱外作业任务提供重要支撑作用。
实现表面自由爬行
承担舱外巡检任务
两根臂杆的终端轮流附着在空间站表面，灵巧地从空间站的一段爬到另一段，这是天和机械臂让人们叹为观止的拿手绝活之一，而这得益于独特的设计。王储解释说，由于天和机械臂肩部和腕部关节配置相同，它们的活动功能是一样的，同时安装上末端执行器以后，就可以对接舱体表面安装的目标适配器，天和机械臂通过末端执行器与目标适配器的对接或分离，再配合各关节的协调运动，就能实现在舱体上自由灵活地爬行和转移。
工作离不开能量，天和机械臂在爬行和转移过程中的能量来自哪里呢？王储介绍说，其电能是通过末端执行器源源不断获得的。在天和机械臂的末端，除了设置了可以提供对接与分离的机械接口、通信接口等之外，还配有供电接口，只要末端与目标适配器互联，整条机械臂就可以获得电能供应。
空间站外表面配置了许多暴露的实验载荷，每时每刻都面临空间碎片撞击的危险，这就要求定期对空间站舱外与舱表状态进行检查、确认，这一重任就赋予了天和机械臂。为了完成好该项使命，天和机械臂的肘部、肩部、腕部各装有一台视觉相机，在舱体表面的爬行转移过程中，配合视觉相机监视，就如同空间站伸出了一根长长的自拍杆，实现了360度全覆盖、无死角的监视，非常巧妙地实现了对于空间站舱外设备的巡检功能。
作为备份转位手段
开展在轨建造任务
目前，天宫空间站正处于关键技术验证阶段，之后将进入在轨建造阶段，届时，问天实验舱和梦天实验舱将发射升空并与天和核心舱对接成“T”字形组合体，最终完成空间站建造任务。但是受限于姿态控制的问题，上述两个实验舱将无法直接与天和核心舱的侧向停泊口对接，而是要先与其前向对接口对接，然后再转位置至侧向停泊口，对接为组合体。这无疑给空间站在轨建造带来了难度和挑战。
为了确保完成两个实验舱转向对接任务，航天科技工作者准备了两个互为备份的转位手段，实现“双保险”。王储介绍说，一方面，他们为两个实验舱各自均配置了一个结构简单的小型转位机械臂，专门用于帮助它们完成转位，并实现转移角度对接。另一方面，他们也赋予了天和机械臂实现实验舱转位并使其与天和核心舱对接的能力，成为完成该项重任的备份手段。从技术上来说，天和机械臂的控制精度达到毫米级，完全可以保障实验舱侧面转向并帮助其实施对接的要求。
天和机械臂既然有充足能力帮助实验舱转向并完成侧面对接，当然也可以帮助载人飞船和货运飞船与天宫空间站对接为组合体。随着空间站进入常态运营阶段，飞船将定期或不定期到访“天宫”，它们与空间站的交会对接将成为经常性需求。因此有评论指出，飞船届时将可以依靠天和机械臂完成交会对接，自身可以不具备自主交会对接能力，这样可以使飞船结构更简单，节约制造和发射成本，进而减少空间站运营成本。
多年努力接续奋斗
成就空间大力神臂
天和机械臂被认为是中国同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统，涉及任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证等诸多关键技术。到目前为止，天和机械臂已初露峥嵘，小试牛刀便显示出非凡的实力。
作为一项集多种尖端技术的高端航天装备，天和机械臂当然不是横空出世，而是中国航天科技工作者多年奋斗的结晶。据中国空间技术研究院高级工程师李大明等曾撰文介绍，从2007年起，该院总体部就全面启动了空间站机械臂的研发工作，先后研制了空间站机械臂原理样机和工程样机并开展了大量技术验证工作。
2013年7月，中国成功发射的试验七号卫星装备了一款空间机械臂。该机械臂由哈尔滨工业大学在国家“863”计划支持下研制。据哈尔滨工业大学机电工程学院教授刘宏介绍，该机械臂由6个完全相同的机电集成式空间智能旋转关节构成，实现了在轨捕获等关键技术突破，获得了重要试验数据。2016年9月发射的天宫二号空间搭载了机械臂、机械手、手眼相机、控制器、全局相机、模拟维修单机等设备，在之后与神舟十一号形成组合体飞行期间，天宫二号成功完成了机械臂操作终端的人机协同在轨维修技术试验任务，圆满完成了在轨辨识、招手、抓小球测试试验，并针对一台单机的维修任务，成功实现旋拧电连接器、旋拧螺钉维修试验项目等，为中国后续空间站机械臂的研制和应用积累经验和在轨数据。
在上述实践的基础上，相关科研团队继续在关键技术、原材料选用、制造工艺、适应空间站环境的长寿命设计等方面实现突破和创新，并实现了核心零部件国产化，终于造就了中国空间站大力神臂。
中外空间站机械臂比较（链接）
国际上，最具代表性的空间站舱外机械臂是由加拿大和 NASA 联合研制的舱外移动服务系统，主要包括一个大型遥操作臂系统（SSRMS）（长17.6米、7个自由度）、一个特殊用途的灵巧操作臂（SPDM）（长3.5米、15个自由度）以及移动基座。该系统初始安装在“国际空间站”的美国舱段上。
“国际空间站”还配备了两个大型空间舱外机器人系统分布安装在俄罗斯舱和日本舱，即欧洲航天局研制的欧洲机械臂（ERA）（长11.3米，7个自由度）和日本研制的实验舱机械臂系统（JEMRMS）（长9.9米，6个自由度，末端安装一个2米长的6个自由度小型灵巧机械臂）。
中国空间站核心舱机械臂具有7个自由度，臂长10.2米。综合对比可知，中国空间站核心舱机械臂各项指标均与国际先进水平相当，其中承载能力、精度和速度等关键指标处于国际领先水平。
摘自《空间站机械臂关键技术研究》（李大明等）
本报记者 张保淑《 人民日报海外版 》（ 2021年07月22日 第 09 版）
